EP2196661B1 - Unité d'entraînement dotée d'un circuit de refroidissement et d'un circuit de récupération de chaleur séparé - Google Patents

Unité d'entraînement dotée d'un circuit de refroidissement et d'un circuit de récupération de chaleur séparé Download PDF

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EP2196661B1
EP2196661B1 EP09012909.9A EP09012909A EP2196661B1 EP 2196661 B1 EP2196661 B1 EP 2196661B1 EP 09012909 A EP09012909 A EP 09012909A EP 2196661 B1 EP2196661 B1 EP 2196661B1
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Gottfried Raab
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MAN Truck and Bus Osterreich AG
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Claims (27)

  1. Unité d'entraînement, en particulier d'un véhicule automobile, comprenant un moteur à combustion interne (1) à suralimentation à deux étages au moyen de deux turbocompresseurs à gaz d'échappement (2, 3), laquelle
    - possède une alimentation en air de suralimentation comprenant un compresseur basse pression (2/2), un compresseur haute pression (3/2), un refroidisseur intermédiaire d'air de suralimentation (8) entre les compresseurs basse pression et haute pression (2/2, 3/2) ainsi qu'un refroidisseur principal d'air de suralimentation (9) monté en aval du compresseur haute pression (3/2), et en outre
    - possède une évacuation de gaz d'échappement comprenant une turbine haute pression (3/1) et une turbine basse pression (2/1) et éventuellement un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement (5) monté en aval de cette dernière (2/1) dans le système d'échappement (4), et de plus
    - comprend une installation de refroidissement comprenant un circuit de refroidissement (10) et un circuit de récupération de chaleur (11) désaccouplé hydrauliquement de celui-ci,
    caractérisée
    en ce que le circuit de refroidissement (17) comporte deux circuits de refroidissement partiels (10/1, 10/2) accouplés ou désaccouplés hydrauliquement et un réfrigérant peut être circulé au moyen d'au moins une pompe (12) dans ceux-ci,
    en ce qu'un échangeur de chaleur (13) pouvant être refroidi par de l'air ambiant est disposé dans le premier circuit de refroidissement partiel (10/1) et un échangeur de chaleur (16) supplémentaire pouvant être refroidi par de l'air ambiant est disposé dans le deuxième circuit de refroidissement partiel (10/2) et le refroidisseur principal d'air de suralimentation (9) ainsi que le refroidisseur intermédiaire d'air de suralimentation (8) sont disposés en aval de ceux-ci,
    en ce qu'un fluide de travail peut être circulé avec augmentation de pression au moyen d'au moins une pompe (12) à l'intérieur du circuit de récupération de chaleur (11) et en l'occurrence une transition de phase de celui-ci de l'état liquide à l'état de vapeur et inversement peut être provoquée dans les échangeurs de chaleur (18, 19, 20), ce fluide de travail pouvant être transféré à l'état de vapeur après la pompe (17) de manière divisée en deux flux partiels parallèles dans une première branche parallèle (11a) dans un échangeur de chaleur RGE (18) traversé par les gaz d'échappement à recirculer et dans un échangeur de chaleur à gaz d'échappement (19) traversé par les gaz d'échappement produits dans la ligne d'échappement (4d) en aval de la turbine basse pression (2/1) dans une deuxième branche parallèle (11b), puis ce fluide de travail à l'état de vapeur pouvant être acheminé jusqu'à un détendeur (21) et pouvant être transformé en énergie mécanique utile au moyen de celui-ci, puis pouvant être guidé à travers un condenseur refroidi (20) et pouvant ensuite être introduit à nouveau à l'état de nouveau liquide, au moyen de la pompe (17), dans le circuit susmentionné.
  2. Unité d'entraînement selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur RGE (18) peut être alimenté en gaz d'échappement à recirculer par le biais d'une conduite RGE (22), laquelle conduite RGE bifurque d'une portion de système d'échappement (4b) reliant les collecteurs (4a) du côté de la sortie du moteur à combustion interne (1) à l'entrée de la turbine haute pression (3/1).
  3. Unité d'entraînement selon la revendication 2, caractérisée en ce que les gaz d'échappement à recirculer peuvent être acheminés jusqu'à l'échangeur de chaleur RGE (18) par le biais de la conduite RGE (22) et, après la traversée de celui-ci, peuvent être introduits dans la portion de conduite d'air de suralimentation (7d) qui réalise la liaison entre le refroidisseur principal d'air de suralimentation (9) et les entrées d'air (7e) du côté du moteur à combustion interne ou une conduite collectrice d'air de suralimentation (7f) de laquelle partent les entrées d'air (7e).
  4. Unité d'entraînement selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'au moins un échangeur de chaleur (44) supplémentaire est disposé dans la conduite RGE (22) en aval de l'échangeur de chaleur RGE (18), lequel échangeur de chaleur supplémentaire peut être traversé par le réfrigérant d'une branche (10/2g) supplémentaire s'étendant parallèlement aux branches (10/2d, 10/2c) du deuxième circuit de refroidissement partiel (10/2) et provoque par conséquent, après l'échangeur de chaleur RGE (18), un refroidissement supplémentaire des gaz d'échappement s'écoulant à travers la conduite RGE (22), et en ce que les gaz d'échappement à recirculer peuvent, après avoir traversé également l'échangeur de chaleur (44), être introduits par le biais de la conduite RGE (22) dans la portion de conduite d'air de suralimentation (7d) qui réalise la liaison entre le refroidisseur principal d'air de suralimentation (9) et les entrées d'air (7e) du côté du moteur à combustion interne ou une conduite collectrice d'air de suralimentation (7f) de laquelle bifurquent les entrées d'air (7e).
  5. Unité d'entraînement selon la revendication 2, caractérisée en ce que les gaz d'échappement à recirculer peuvent être acheminés jusqu'à l'échangeur de chaleur RGE (18) par le biais de la conduite RGE (22) et, après la traversée de celui-ci, peuvent être recirculés jusqu'aux entrées d'air (7e) du moteur à combustion interne (1) ou jusqu'à une conduite collectrice d'air de suralimentation (7f) de laquelle partent les entrées d'air (7e).
  6. Unité d'entraînement selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur à gaz d'échappement (19) est disposé de manière rapprochée de la turbine basse pression (2/1) dans la portion de ligne d'échappement (4d) se raccordant à cette dernière, en y utilisant la chaleur résiduelle des gaz d'échappement sortant de ladite turbine (2/1).
  7. Unité d'entraînement selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur à gaz d'échappement (19) est disposé dans la portion de ligne d'échappement (4d) se raccordant à la sortie de la turbine basse pression (2/1), en y utilisant en aval d'un dispositif de post-traitement des gaz d'échappement (5) la chaleur résiduelle des gaz d'échappement sortant de celui-ci après l'avoir traversé.
  8. Unité d'entraînement selon la revendication 7, caractérisée en ce que le dispositif de post-traitement des gaz d'échappement (5) et l'échangeur de chaleur à gaz d'échappement (19) sont disposés directement l'un derrière l'autre dans la portion de ligne d'échappement (4d).
  9. Unité d'entraînement selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur à gaz d'échappement (19) est disposé après le dispositif de post-traitement des gaz d'échappement (5) de manière quelque peu espacée de celui-ci dans la portion de ligne d'échappement (4d).
  10. Unité d'entraînement selon la revendication 7, caractérisée en ce que le dispositif de post-traitement des gaz d'échappement (5) est constitué de plusieurs modules de post-traitement des gaz d'échappement (5a) qui sont intégrés dans un silencieux (25) et qui s'y étendent entre une chambre d'entrée de gaz d'échappement (32) et une chambre de sortie de gaz d'échappement (31), en ce que les gaz d'échappement peuvent être acheminés jusqu'à la chambre d'entrée de gaz d'échappement (32) par le biais d'une tubulure d'entrée (33) qui forme une partie de la portion de ligne d'échappement (4b) se raccordant à la sortie de la turbine basse pression (2/1), en ce qu'après la traversée des modules de post-traitement des gaz d'échappement (5a), les gaz d'échappement purifiés provenant de la chambre de sortie de gaz d'échappement (32) peuvent être évacués par le biais d'un tuyau d'extrémité (34) hors du silencieux (25), et en ce que l'échangeur de chaleur à gaz d'échappement (19) est disposé soit à l'intérieur soit à l'extérieur du silencieux (25).
  11. Unité d'entraînement selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur à gaz d'échappement (19) est fixé extérieurement au silencieux (25) et les gaz d'échappement peuvent être acheminés du côté de l'entrée jusqu'à celui-ci (19) par le biais du tuyau d'extrémité (34).
  12. Unité d'entraînement selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur à gaz d'échappement (19) est disposé à l'intérieur du silencieux (25) et y est disposé à l'intérieur de son espace d'entrée de gaz d'échappement (32) et les gaz d'échappement peuvent être acheminés du côté de l'entrée jusqu'à celui-ci (19) par le biais du tuyau d'extrémité (34).
  13. Unité d'entraînement selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur à gaz d'échappement (19) est disposé à l'intérieur du silencieux (25) et y est disposé à l'intérieur de sa chambre de sortie de gaz d'échappement (31), et en ce que les gaz d'échappement peuvent, après la traversée de l'échangeur de chaleur à gaz d'échappement (19), être évacués hors du silencieux (23) par le biais du tuyau d'extrémité (34).
  14. Unité d'entraînement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le condenseur (20) est monté, en vue de son refroidissement, soit dans le premier soit dans le deuxième circuit de refroidissement partiel (10/1) ou (10/2), et de telle sorte que le réfrigérant respectivement circulé dans celui-ci puisse être utilisé pour le refroidissement et la liquéfaction du fluide de travail du circuit de récupération de chaleur (11) traversant également le condenseur (20).
  15. Unité d'entraînement selon la revendication 14, caractérisée en ce que le condenseur (20) est disposé dans la portion de conduite (10/2e) du deuxième circuit de refroidissement partiel (10/2), qui relie,
    - en cas de montage en série, du côté du réfrigérant, du refroidisseur principal d'air de suralimentation (9) et du refroidisseur intermédiaire d'air de suralimentation (8), la sortie de celui-ci ou,
    - en cas de montage en parallèle, du côté du réfrigérant, du refroidisseur principal d'air de suralimentation (9) et du refroidisseur intermédiaire d'air de suralimentation (8), leurs deux sorties de manière réunie,
    soit à l'entrée de la pompe (12) soit à un point d'introduction donné avant celle-ci du côté aspiration, dans la portion de conduite (10/1 b) du premier circuit de refroidissement partiel (10) reliant la sortie de l'échangeur de chaleur (13) à la pompe (12).
  16. Unité d'entraînement selon la revendication 14, caractérisée en ce que le condenseur (20) est disposé dans la portion de conduite (10/1b) du premier circuit de refroidissement partiel (10/1) qui relie la sortie de l'échangeur de chaleur (13) à l'entrée de la pompe (12).
  17. Unité d'entraînement selon la revendication 16, caractérisée en ce que, lorsque le condenseur (20) est monté dans la portion de conduite (10/1b) du premier circuit de refroidissement partiel (10/1), le deuxième circuit de refroidissement partiel (10/2) bifurque en aval de la pompe (12), par sa portion de conduite (10/2a), de la portion de conduite (10/1b) conduisant jusqu'au moteur à combustion interne (1) et débouche, par sa portion de conduite (10/2e), à nouveau dans la partie de la portion de conduite (10/1b) du premier circuit partiel (10/1) qui relie la sortie du condenseur (20) à la pompe (12).
  18. Unité d'entraînement selon la revendication 1, caractérisée en ce que de l'air comprimé peut être acheminé jusqu'au condenseur (20) en tant que réfrigérant, lequel air comprimé peut être produit au moyen d'un compresseur ou d'une soufflante (23) aspirant de l'air de l'atmosphère, lequel compresseur ou laquelle soufflante peut être entraîné(e) soit à partir du moteur à combustion interne (1) par le biais d'un train d'engrenage ou d'une transmission correspondant(e) soit, en variante à ceci, au moyen d'un moteur électrique.
  19. Unité d'entraînement selon la revendication 18, caractérisée en ce qu'au moins un échangeur de chaleur (42, 43) supplémentaire pouvant être traversé par de l'air est disposé dans la conduite d'alimentation (24) en amont du condenseur (20) et/ou en aval de ce dernier dans une conduite, à l'aide duquel échangeur de chaleur un effet de refroidissement supplémentaire peut être obtenu au moyen de l'air comprimé.
  20. Unité d'entraînement selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pompe (17) du circuit de récupération de chaleur (11) peut être entraînée mécaniquement à partir du moteur à combustion interne (1).
  21. Unité d'entraînement selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pompe (17) du circuit de récupération de chaleur (11) peut être entraînée au moyen d'un moteur électrique (35).
  22. Unité d'entraînement selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide de travail dans le circuit de récupération de chaleur (11) peut être refoulé au moyen de la pompe (17) jusqu'à une unité de soupape (36), de laquelle partent les deux branches parallèles (11a, 11 b), et en ce qu'au moyen de l'unité de soupape (36), indépendamment de la chaleur fournie à disposition, deux flux massiques de fluide de travail peuvent être générés dans les deux branches parallèles (11 a, 11 b) et ceux-ci peuvent en outre être régulés indépendamment l'un de l'autre ainsi que du régime du moteur à combustion interne ou du moteur électrique.
  23. Unité d'entraînement selon les revendications 21 et 22, caractérisée en ce qu'en cas d'entraînement électromotorisé de la pompe (17), l'unité de soupape (36) est constituée d'une soupape de mélange (36') qui divise le flux massique de fluide de travail réglé par la pompe (17), de manière régulée, en deux flux massiques partiels à introduire dans les deux branches parallèles (11 a, 11 b).
  24. Unité d'entraînement selon les revendications 20 et 22, caractérisée en ce qu'en cas d'entraînement mécanique de la pompe (17) à partir du moteur à combustion interne (1), l'unité de soupape (36) est constituée de deux soupapes de régulation de débit (37, 38), d'un accumulateur de pression (39) et d'une soupape de limitation de pression (40), le fluide de travail pouvant être refoulé dans l'accumulateur de pression (39) au moyen de la pompe (17) en fonction du régime du moteur à combustion interne (1), le fluide de travail excédentaire pouvant être déchargé dans un réservoir de compensation (41) au moyen de la soupape de limitation de pression (40) et, au moyen de chaque soupape de régulation de débit (37 ou 38), un flux partiel de fluide de travail pouvant être prélevé de l'accumulateur de pression (39) et pouvant être acheminé jusqu'à la branche parallèle adjacente (11 a, 11 b).
  25. Unité d'entraînement selon la revendication 23, caractérisée en ce que de l'eau ou un mélange aqueux est utilisé(e) en tant que fluide de travail dans le circuit de récupération de chaleur (11), la dernière substance ajoutée pouvant influencer des propriétés telles que la protection contre la corrosion et la protection contre le gel.
  26. Unité d'entraînement selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'il est prévu en tant que détendeur (21) un moteur thermique ou une installation de turbine avec lequel/laquelle l'énergie contenue dans le fluide de travail évaporé peut être transformée au moins partiellement en énergie de rotation qui peut pour sa part être utilisée efficacement en tant que puissance utile.
  27. Unité d'entraînement selon la revendication 26, caractérisée en ce que le détendeur (21) est en liaison fonctionnelle diminuant la puissance utile avec le moteur à combustion interne (1) ou un générateur produisant du courant ou un autre ensemble, cette liaison fonctionnelle étant réalisée, directement ou indirectement par le biais d'une transmission ou d'un train d'engrenage, avec un arbre à entraîner de l'ensemble concerné.
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